1. 1. Torcendo a luz: a fsica da luz como avano tecnolgico Prof. Carlos Eduardo Souza (Cadu) 20/03/2014
2. 2. Sumrio A natureza da luz A histria da descrio cientfica da luz: a luz j foi partcula e j foi onda... Pode a luz ser onda e partcula ao mesmo tempo? A Mecnica Quntica e suas sutilezas O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico A Polarizao da luz para construo de dispositivos de computao Estudo dos materiais atravs de propriedade da Luz Torcendo a luz Luz com momento angular orbital Concluses
3. 3. A natureza da luz O que a luz?
4. 4. A natureza da luz O que a luz? Pergunta desconcertante, pois no existe uma nica e simples descrio da luz Vamos nos situar: A rea do conhecimento destinada ao estudo da luz chamada de ptica.
5. 5. A natureza da luz Na ptica clssica utilizamos dois modelos para a descrio da luz Modelo corpuscular Modelo ondulatrio Vamos abordar essa questo depois de entendermos como funcionam as descries corpuscular e ondulatria O assunto delicado pois, segundo sabemos hoje, a luz no composta de partculas clssicas, nem uma onda clssica.
6. 6. A natureza da luz Modelo corpuscular: A luz composta por partculas que se deslocam no espao e nos meios materiais As primeiras referncias sobre as tentativas de descrio da luz vem da antiguidade. Os cientistas e filsofos gregos imaginavam a luz como sendo partculas que viajam atravs do espao e que dependiam da viso.
7. 7. A natureza da luz Modelo corpuscular: A luz composta por partculas que se deslocam no espao e nos meios materiais Isaac Newton (1642-1727) foi o principal defensor da teoria corpuscular. Conhecia os efeitos da difrao e interferncia. Tinha uma explicao consistente para os fenmenos da reflexo e refrao. A teoria corpuscular prevaleceu no sc. XVIII.
8. 8. A natureza da luz Rudimentos da teoria corpuscular A luz se propaga em linha reta: raios de luz, tica geomtrica comportamento tpico de partculas!
9. 9. A natureza da luz Rudimentos da teoria corpuscular At ento, todas as evidncias experimentais apontavam que a descrio da luz em termos de partculas era bem adequada. Ao passar por um objeto, a luz produz sombras com bordas ntidas. Ondas se propagam ao redor de obstculos (difrao), o que no era observado para a luz.
10. 10. A natureza da luz Rudimentos da teoria ondulatria A teoria corpuscular proposta por Newton no foi prontamente aceita. Na poca, essa teoria sofreu severas crticas de importantes cientistas defensores da teoria ondulatria. Princpio de Huygens + Francesco Grimald + Robert Hooke Christiaan Huygens (1629-1695) Cada ponto de uma frente de onda fonte de ondas secundrias, que do origem a outra frente de onda.
11. 11. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria (1773-1829) Esquema experimental do histrico experimento da fenda dupla feito por Thomas Young, realizado entre os anos 1801-1804.
12. 12. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria O Experimento de Young foi realizado com muita dificuldade tcnica e no encerrou o debate. Muitos cientistas da poca no concordavam com uma explicao ondulatria que no desse conta do fenmeno da polarizao. O experimento foi um importante resultado para a reabertura do debate. A descrio ondulatria, tomada por muitos cientistas como invlida por por mais de cem anos, retornava com o potencial de mudar os rumos da ptica.
13. 13. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria Augustin Jean Fresnel (1788-1827) apresentou, em 1819, uma teoria sobre a natureza ondulatria da luz, em que explicava inclusive a polarizao (considerando-a uma onda transversa), para concorrer a um prmio oferecido pela Academia Francesa de Cincias a quem explicasse a difrao.
14. 14. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria A maior parte dos membros do comit de seleo favorecia a teoria corpuscular, incluindo Simeon D. Poisson (1781-1840) Poisson, usando a teoria de Fresnel, mostrou que um resultado esdrxulo era previsto: se um disco circular fosse iluminado, bem no centro da regio de sombra apareceria uma mancha brilhante, como se no houvesse o disco.
15. 15. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria A experincia foi realizada por Franois J. D. Arago (1786-1853), outro membro do comit.
16. 16. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria A mancha observada ficou conhecida como Mancha de Poisson! Fresnel ganhou o prmio da Academia e a Teoria Ondulatria obteve um grande triunfo. Um experimento de medida da velocidade da luz liquidou com a teoria corpuscular.
17. 17. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria Fizeau verificou com seu arranjo experimental que a velocidade de propagao na gua era menor que no ar. A Teoria corpuscular da luz era sepultada!
18. 18. A natureza da luz Experimentos decisivos em favor da teoria ondulatria Se a luz uma onda, o que est ondulando?
19. 19. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria H 150 anos, em 1864, James Clerk Maxwell publica artigos que estabelecem as bases do eletromagnetismo clssico, na qual est inserida toda a tica clssica. Numa formulao moderna: e fez-se a luz!
20. 20. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria A Luz uma onda eletromagntica Flecha vermelha (campo eltrico) Flecha azul (campo magntico)
21. 21. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Um dos resultados mais importantes derivados das equaes de Maxwell uma equao para a determinao da velocidade da luz. A velocidade da luz pode ser calculada por meio das constantes do eletromagnetismo!
22. 22. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria A experincia de Heinrich Hertz Em 1887 Hertz comprova experimentalmente a teoria de Maxwell, produzindo e detectando experimentalmente as ondas eletromagnticas.
23. 23. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Nascimento da Teoria Quntica A experincia de Hertz Nesse mesmo experimento Hertz redescobre o efeito fotoeltrico.
24. 24. A natureza da luz A glria da teoria ondulatria Nascimento da Teoria Quntica Efeito Fotoeltrico Ejeo de eltrons por um material quando exposto a uma radiao eletromagntica. De acordo com a teoria ondulatria, quanto maior a intensidade da luz, maior dever ser a energia do eltron ejetado. Todavia, isso no observado experimentalmente. Observa-se que a energia do eltron ejetado depende da frequncia da luz incidente.
25. 25. A natureza da luz O Nascimento da Teoria Quntica Efeito Fotoeltrico A explicao satisfatria para esse efeito foi dada por Albert Einstein, em 1905, e foi baseada na extenso mais audaciosa da hiptese de Max Planck sobre a quantizao da energia da luz. Max Planck (1858-1947) primeiro a propor a quantizao da energia da luz para explicar a emisso de radiao no problema de corpos negros. Albert Einstein (1879-1955) Explicou o efeito fotoeltrico com base na quantizao da energia da luz.
26. 26. A natureza da luz O Nascimento da Teoria Quntica De acordo com a teoria quntica, a luz composta de ftons (quanta): partculas de luz com caractersticas de onda. Isso uma aspecto que causa muito desconforto at os dias atuais! Na Fsica clssica temos uma distino clara entre fenmenos ondulatrios e corpusculares. Nenhum fenmeno clssico pode ser os dois ao mesmo tempo. O nome fton foi cunhado pelo qumico, Gilbert N. Lewis (famoso pelas ligaes qumicas em compostos orgnicos), que publicou um trabalho em 1926, sobre a conservao de ftons.
27. 27. A natureza da luz O que a luz? A luz um assunto desconcertante. Ela j foi partcula, j foi onda e agora um ente que no exatamente nem onda e nem partcula mas tem propriedade de ambos... ?!?!?!
28. 28. A natureza da luz O que a luz? O mais interessante disso tudo que todos esses modelos para descrio da luz so utilizados atualmente para descrio dos sistemas ticos. Na ptica, devemos inicialmente ver qual dos modelos melhor se adapta ao problema que vamos abordar. Normalmente, utilizamos o Modelo corpuscular (ptica Geomtrica) Espelhos e Lentes; Modelo Ondulatrio Difrao e Interferncia; Modelo Quntico (ptica Quntica) Propriedades Qunticas da luz/Matria.
29. 29. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Manipulando a luz
30. 30. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Polarizao da Luz
31. 31. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Polarizao da Luz
32. 32. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Em teoria da informao, o bit a menor unidade de informao que pode ser armazenada ou transmitida. O bit pode somente assumir dois valores: 0 ou 1 (verdadeiro ou falso). Nos computadores da atualidade, os bits so implementados fisicamente atravs de acmulos de cargas eltricas nos capacitores dos circuitos da memria do sistema. Se a carga for superior a um dado valor, o bit vale 1, caso contrrio, o bit vale 0! Transmisso de informao com a luz
33. 33. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Polarizao da Luz Podemos codificar a informao utilizando a polarizao da luz Esquema experimental de um dispositivo para codificao da informao em pulsos de luz Esse dispositivo normalmente acoplado numa fibra tica!
34. 34. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Torcendo a luz: O Momento Angular da Luz
35. 35. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Torcendo a luz: O Momento Angular da Luz O Momento angular uma grandeza fsica relacionada com a rotao de corpos. Geralmente estudada nos cursos de Mecnica Clssica e tem grande importncia para a descrio de muitos dispositivos e fenmenos.
36. 36. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico O Momento angular da luz uma propriedade que desperta o interesse da comunidade cientfica. Torcendo a luz: Aplicaes tecnolgicas e Pesquisa Fundamental.
37. 37. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Pinas ticas Partculas microscpicas podem ser aprisionadas e movidas com um feixe laser. Torcendo a luz: Neste experimento, um o momento angular da luz transferido para a partcula que entra em movimento de rotao.
38. 38. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao O aumento da capacidade de processamento dos computadores (miniaturizao dos componentes eletrnicos) tem ocorrido num ritmo to elevado que at o incio da prxima dcada, se esse ritmo for mantido, as unidades bsicas de computao tero dimenses atmicas.
39. 39. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao O aumento da capacidade de processamento dos computadores (miniaturizao dos componentes eletrnicos) tem ocorrido num ritmo to elevado que at o incio da prxima dcada, se esse ritmo for mantido, as unidades bsicas de computao tero dimenses atmicas. Com essas dimenses, a fsica utilizada para a descrio dos computadores no ser mais vlida!! !
40. 40. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Deveremos usar a Mecnica Quntica para descrever os computadores dos tempos vindouros. Isso motivou o surgimento de uma nova rea de pesquisa intitulada Computao e Informao Quntica, que engloba os conhecimentos da Fsica, da Matemtica, da Engenharia, da Teoria de Computao e outros. Atualmente, os cientistas estudam vrios sistemas candidatos para a implementao de um computador quntico. Sistemas atmicos, Materiais Semicondutores e Sistemas ticos so os principais candidatos.
41. 41. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao A luz constitui um sistema fsico formidvel para a construo de computadores mais velozes, eficientes e seguros. um sistema que se desloca rapidamente e no interage muito com o ambiente. Vejamos como podemos usar a luz em tarefas computacionais.
42. 42. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Codificando mais informao na luz Usando a polarizao e o Momento Angular Orbital bit 0 bit 1 bit 0 bit 1 Polarizao Momento Angular Orbital
43. 43. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Codificando mais informao na luz Usando a polarizao e o Momento Angular Orbital bit 0 bit 1 bit 0 bit 1 Polarizao Momento Angular Orbital Computadores ticos e dispositivos de transmisso de informao
44. 44. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao No Laboratrio de tica Quntica aqui na UFF estudamos as propriedades da luz e a sua utilizao em sistemas ticos de computao. Recentemente, propusemos e implementamos experimentalmente um dispositivo que simula uma Porta Lgica de computao que utiliza a Polarizao e o Momento Angular da Luz. Porta Lgica No-Controlado (C-NOT)
45. 45. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Funcionamento da Porta C-NOT controle alvo
46. 46. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Funcionamento da Porta C-NOT
47. 47. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Implementao tica da verso quntica do Dilema do Prisioneiro: sistemas de criptografia de mensagens
48. 48. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Implementao tica da verso quntica do Dilema do Prisioneiro: sistemas de criptografia de mensagens Tabela de Reduo de Pena: Caso Clssico No caso quntico: espao de estratgias maior
49. 49. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico Dispositivos ticos para Computao Aparato experimental utilizado para implementao do jogo
50. 50. O controle das propriedades da luz para o desenvolvimento tecnolgico
51. 51. Trs modelos distintos e vlidos para a descrio da luz: Modelo Ondulatrio Modelo corpuscular Modelo Quntico (ftons) Entender as propriedades da luz importante para a pesquisa e o trabalho em vrias reas do Conhecimento Concluses
52. 52. Referncias Optics (Eugene Hecht) Fsica (Uma abordagem Estratgica) Fotografias digitalizadas wikipedia.com
53. 53. Obrigado!!